物理所发表非晶合金弹性性质和弹性模型研究综述文章

2011-9-29 10:34 来源: 中国科学院
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  从1998年开始,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组通过大量实验,系统地研究了非晶合金形成、结构、力学性能和弹性性能,从弹性模量(基于原子间作用力等微观因素的宏观统计物理量)的角度来研究非晶结构及性能的关系,认识非晶中一些基本问题,取得重要研究成果。

  鉴于这些在非晶弹性性能研究和建立非晶的弹性模型方面系统的工作,应Progress in Materials Science刊物(影响因子16.5)主编Arzt教授的邀请,汪卫华研究组为该刊物撰写了长170页的综述论文The elastic properties, elastic models and elastic perspectives of metallic glasses,系统总结了非晶合金弹性性能和弹性模型以及弹性模型在认识、理解非晶基本问题上的作用的工作。

  非晶合金是金属熔体经过快速凝固而得到的结构无序的亚稳材料。虽然从液态到玻璃态没有传统意义上的相变发生,非晶材料弛豫时间尺度却从液态的(~10-10秒)变化到玻璃态的 (~100秒);由于非晶缺少微观尺度的特征结构,表征与建立其结构与性能的相关性从基本理论到实验手段上都极其困难,其宏观性能与微观结构的相关性还很不清楚。另一方面,由于金属熔体温度高,容易氧化,过冷度低,对金属液体在快速凝固过程中的动力学变化特征了解得很少。因此,与晶态相比,非晶合金形成的机理、非晶的特性、形变及结构稳定性的研究是相当困难的问题。人们对非晶合金在结构、性能上的一般规律了解甚少。这些因素严重制约了非晶合金材料的设计和探索、加工以及工程应用。

  汪卫华研究组近年来的主要研究成果包括:

  (一)系统地研究了非晶合金以及其它非晶材料的弹性性能,利用大块非晶的大尺寸和高结构稳定性的特点,系统、精确地测定了大量不同非晶合金以及其它典型非金属玻璃的弹性模量,包括杨氏模量、切变模量、体弹模量、泊松比,德拜温度,Grueneisen常数等。精确地测定了这些参量随温度、压力、结构弛豫、形变的变化规律。积累了大量非晶合金和很多其它玻璃材料的弹性、力学和物理性能参数。这些系统的数据为深入研究、理解非晶结构的特征及其和性能的相关性提供了可能性和条件,为认识非晶的本质,非晶形成机理,玻璃转变,非晶新材料的开发和性能的改善提供了实验基础。

  (二)在系统研究非晶合金的弹性及其随结构变化规律的基础上,综合分析本组和他人大量非晶弹性性能研究成果,建立了非晶合金弹性模量模型:即把非晶合金的形成、形变、弛豫统一地用流变的物理图像加以描述,其流变的势垒由弹性模量控制,流变的势垒和弹性模量成正比。该模型揭示了弹性模量是控制非晶合金形成、性能和稳定性的关键物理因素。根据该模型,表征非晶合金其它物理量(如描述固液转变的玻璃转变温度,描述力学性能的强度、硬度、韧性,描述液体性质的“流动激活能”,描述非晶形成能力的参量等)与实验上能精确测定的非晶弹性模量直接关联。该模型预言了很多重要结果,如预言玻璃转变温度与杨氏模量成正比的结果,为他们实验合成一系列有特性的非晶合金材料奠定了理论基础。该模型为研究、理解非晶合金领域的重要科学问题,探索新型非晶合金材料提供了新的理论。

  (三)非晶材料的形成机理是本领域的核心问题。已有的表征非晶形成能力的判据主要用于成分探索,不能控制和预测非晶性能和稳定性。他们通过试验和理论分析建立了非晶弹性模量与其韧性、强度、硬度、液体性质,振动特性、稳定性、玻璃转变,晶化,形成能力等的关联,同时发现非晶合金模量M和其组元模量Mi成分c满足关系:M=Σci•Mi。从而提出通过调控非晶模量来控制其性能、稳定性和形成的模量判据。包括:泊松比和非晶的形成能力关联的准则,非晶合金塑性判据(泊松比大的非晶合金塑性大),强度判据(模量高的非晶具有高强度和硬度),以及稳定性判据(体弹性模量高的非晶合金具有高稳定性),模量与玻璃转变温度及Debye温度的关联。模量判据为探索性能可控的非晶合金材料提供了新的方法,在非晶合金材料探索研究中发挥重要的作用。

  (四)根据弹性模量判据,研制出十多种有自主知识产权、具有优异结构和功能特性的新型大块非晶合金新材料。获授权专利15项,其中既有塑料的热塑性、稳定性和形成能力,又具有金属合金优良的力学性能和导电特性的铈基金属塑料获美国专利。金属塑料工作还引发了广泛的跟踪和拓展研究。对这些非晶合金的性能的研究取得了多项有科学与应用价值的结果。

  上述研究结果从1999年开始,陆续在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett. J. Appl. Phys. Acta Mater等刊物上发表论文50多篇。文章被广泛引用3500多次,多个著名科学期刊发表专题评论评价相关的工作。如美国《材料学会会刊》出版的非晶合金专辑、美国《现代物理评论》以及《今日材料》关于非晶物理的综述文章都介绍或评述了这些工作。此外,《自然》在亚洲的材料网对相关的非晶研究工作先后作了4次专门报道。其中弹性性能和模型以及新型稀土基块体非晶合金研制的工作2010年获国家自然科学二等奖。

  相关研究工作得到国家自然科学基金项目、973项目和中国科学院的资助。